BZ4-22《汽车车身先进设计方法与流程》

汽车车身先进设计方法与流程制作：张海清目录第二章车身总布置设计第三章车身结构设计方法及流程第四章车身强度及刚度设计第六章车身安全性能设计第七章优化设计第八章车身实验标准和流程第五章车身NVH分析及控制第一章车身设计方法及流程概述第一章车身设计方法及流程概述1.1车身设计方法的发展历程直到第二次世界大战爆发前，车身的款式都一直是发展的重点，第二次世界大战爆发后，汽车车身设计过程中开始考虑空气阻力、审美学等，并把人体工程学、风洞实验应用带车身设计中，汽车车身设计方法真正成为科学与艺术的结合。再次阶段车身设计过程仍然是以手工为主。20世纪70年代至今，随着计算机软硬件技术和先进制造技术的迅速发展，汽车设计才进入数字化时代。主要特点是利用计算机和相关软件完成虚拟造型设计、虚拟结构设计、虚拟分析、虚拟实验、虚拟制造等车身开发工作。车身开发过程为：内外部造型效果图-内外部CAS表面-油泥模型-工程可行性分析-详细工程设计-工程分析-零件图的绘制-样车试制。1.2现代主流车身设计流程由于在不同的企业在资源及技术储备上不相同，因此车身开发流程也有着差别和各自的特点。以下介绍具有一般性的现代车身设计流程：1.2.1产品规划、定义阶段1）竞争车型对比研究：在进行充分的市场调研后，定位车型的细分市场。选择竞争车型，通过对竞争车型进行拆解、测量、实验、虚拟分析等手段获取整车尺寸参数和性能参数等。2）整车参数性能目标定义：对比分析竞争车型，结合市场定位和企业自身的技术状况，定义新车型的整车尺寸参数和性能目标。1.2.2造型阶段1）效果图2）CAS表面：造型工程师根据效果图，利用专业造型软件在计算机上完成整车内外造型表面的绘制。3）油泥模型：利用CAS表面，通过数控加工中心完成内外造型表面模型的初步制作，造型师根据美学和工程可行性对油泥模型进行细化修改。4）A级曲面设计：油泥模型经过评审冻结后。采用精密测量设备扫描内外表面。从而得到内外表面的点云数据，在利用专业软件按照企业的A级曲面标准完成A面设计，有条件的公司还会使用数控加工中心制作硬树脂模型。以验证A级曲面质量。1.2.3详细可行性分析阶段1）典型断面优化设计：该阶段对车身关键区域、关键结构进行断面设计与优化，用于指导详细结构设计和结构验证。同时通过CAE来分析典型结构断面的弯曲和扭转刚度等性能指标。2）主体方案性能分析与优化：对车身主体方案进行可行性分析及优化，使其满足功能要求。3）工艺可行性分析：对主体方案进行工艺可行性分析，使其满足四大工艺要求。4）法规与企业标准可行性研究：对于整车参数和总布置方案进行分析，使其满足国家法规要求和相关的企业标准。1.2.4详细工程设计阶段根据详细工程可行性分析，进行三维结构设计，同步进行虚拟分析、虚拟实验和虚拟制造同步工程分析，优化车身结构，满足整车性能目标、国家法规和相关的企业标准。1.2.5设计验证阶段1）软工装样车制造：根据详细工程设计阶段发布的数据进行软工装夹具、模具制造、完成零件盒车身的制造，并通过三坐标测量和检具进行质量控制。2）实验验证：通过外观品质评价、认证试验、可靠性试验等，对各项性能指标进行验证，检验其能否i满足开发目标的要求，根据实验结果对设计数据进行修改，并发布最终数据。1.2.6制造阶段该阶段主要进行正式工装模具、夹具制造和生产线调试等工作，从小批量生产，量产爬坡阶段，一直到满足批量生产节奏的要求，整个车身的设计开发主体工作完成。车型上市后，根据实际使用中发生的各种问题，需要对原有设计进行优化改进。1.3以车身为核心的绿色设计关键技术1.3.1汽车产品生命周期再循环在产品整个生命周期内，着重考虑产品的环境属性，包括自然资源的利用、环境影响、可拆卸性、可维护性、可回收性、可重复利用性等，并将其作为主要涉及目标，实现产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等基础上。同时使产品满足生态环境目标要求。产品生命周期生态再循环示意图原材料设计开发生产制造使用维护报废回收产品生命周期生态再循环绿色设计，也称为生态设计或环境意识设计，其基本思想是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计，将环境性能作为产品设计目标和出发点，力求产品对环境的影响为最小。绿色设计继承了DFX的设计概念，包含多种设计工具，如面向拆卸的设计DFD（DesignforDisassembly），面向回收的设计DFR。面向制造的设计DFM，面向装配的设计DFA等。1.3.2轻量化设计技术减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一，但是车身结构的轻量化过程是一个复杂的多场交互式优化设计过程。评价车身轻量化的技术标准包括碰撞吸能状况，整车强度、刚度和模态，抗凹陷性能，空气动力学性能，减振、降噪、舒适性，可制造性。零件的合理布局以及生产成本等多方面的指标。1）高强度板材选用常用于外板的有冷轧烘烤硬化板材、冷轧各向同性刚；常用于结构件的有HSLA（PH）冷轧析出强化钢，乘员保护区采用超高强度钢。在侧碰加强区采用超高强度钢，对于提高整车的强度和刚度性能会有明显的效果。2）轻量化目标零件选择在车身结构优化设计中，需要关注性能指标对某些结构参数的变化敏度。性能指标包括车身的扭转刚度、弯曲刚度和应变能等；而结构参数可以是车身的材料、板厚和横截面惯量等。对车身的扭转刚度关于车身零件板料厚度的灵敏度进行计算分析，以获得厚度修改的最佳数据，进而获得车身轻量化的最佳尺寸。由于灵敏度值体现了自变量（厚度）对函数值的影响程度，所以灵敏度绝对值越大，表示厚度变化对刚度及模态变化影响就越大。正灵敏度表示厚度与函数值变化方向相同，反之亦然。3）轻量化优化设计结构优化轻量化设计：通过对车身零件结构的优化设计并结合高强度轻质材料的使用，一实现零件的小型化、薄壁化、复合化；结构尺寸优化是一种比较简单和直接的轻量化优化方法，在优化设计过程中将结构的尺寸参数作为设计变量，由于该方法仅对结构单元的尺寸进行优化，所以一般不会对原结构进行较大改进，也不用于新结构形式的开发，通常用于后期的轻量化尺寸优化设计。4）轻量化车身性能评估轻量化前后的车身性能比较集中在结构总质量、刚度和模态及碰撞性能等方面。优化计算约束条件的确定是以轻量化设计的要求为基础的，即保证车身结构的刚度和自然模态或碰撞性能不降低。因此，在弯曲刚度和扭转刚度的有限元计算中，通过设定相应位移测量点的最大变形量，来确保车身结构的弯曲刚度和扭转刚度的不降低；在自然模态分析中，设定一阶扭转模态和一阶弯曲模态的频率值不低于原车型的响应频率值；在碰撞分析中，设定碰撞吸能量或最大加速度的极限值，以保证其碰撞性能不下降。1.3.3模块化设计技术汽车模块化是“化繁为简、聚零为整”的技术，可降低整车生产成本、节约原材料、缩短产品开发和生产周期、实现汽车生产经营系统的价值最大化。1）汽车模块化内涵：其主要以“模块化化采购”、“模块化装配”进行。•2）汽车模块化设计流程3）车身模块化设计技术应用主要运用有：侧围分段模块化结构设计；保险杠的模块化结构设计；仪表台的模块化结构设计。用户需要分析功能分析定义参数形成模块系列型谱制定模块选择模块组合分析计算满意否优化设计软件包有限元分析软件包机械设计软件包设计完成数据库与图形库NY修改1.3.4可拆解性设计技术汽车产品可拆解性也成为可拆卸性，是衡量零部件可以从车辆上被拆卸或分解成为部件的难易程度。1）影响可拆解性的结构因素：产品零部件数目、标准化程度、模块化程度、部件连接方式、使用环境状况和拆卸可达性等。2）可拆解性设计准则：准则设计要求减量化减少产品零部件数量和质量；尽量减少紧固件的数目和类型标准变化尽量多使用标准化的零部件；增强系列产品零部件的通用性模块化相似的功能部件组合成模块；有毒物质尽量封装在同一模块易拆性尽量采用易分离的连接方式，拆解操作力求简单、快捷、方便无损性避免零部件被污染、被腐蚀；避免易老化、易腐蚀材料的连接可达性易于接近拆解部位，方便工具使用；避免拆解方向的复杂变化3）可拆解性评价方法•拆解的结构性评价；•拆解的经济性评价；•拆解的环境性评价。4）可拆解性设计技术应用例如仪表台可拆卸解性更改：•仪表板连接基本性能要求分析；•老车型仪表板螺纹连接结构分析；•新车型仪表板卡扣连接结构设计。1.3.5可回收性设计技术可回收性设计是指在产品设计初期，充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值、回收方法、可回收结构及拆解工艺性等一系列与回收相关的问题，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染最小的一种设计思路和方法。1）影响可回收性的材料因素：材料种类、材料的环保性、材料的兼容性、材料的回收性、材料的表面二次加工和材料标识等。2）可回收性设计准则设计准则设计要求一致性缩减零部件材料使用的种类，同一部件的材料尽量保持一致环保性优先选用易回收材料、生态材料、再生材料等绿色环保无害材料兼容性考虑相互连接的零部件之间的材料兼容性，避免不兼容材料的组合工艺性优先材料成型加工工艺，尽量避免零件表面的二次加工辨识性采用材料标识制度，明确标注材质成分及回收利用相关特性3）汽车材料可回收利用性判定分析目前，对各种汽车材料的可回收利用性还只有一些定性判定标准，如：金属材料的回收性能优于非金属材料；金属材料中刚、铝的回收性能又优于其他金属；热塑性塑料的回收性能优于热固性塑料；电子电器设备难以回收等。热塑性树脂中，PP、PPC、TPO、PET等材料可直接回收利用，PE、ABS、PA、PBT、PET、PC、PVC等材料可降级回收利用，PPG（填充材料1/2in以上）、HDPE/PA等材料不易再利用；热固性树脂中，除PUR泡沫目前已具有可验证的回收再利用技术外，PUR、EP、PI、PF等材料都不可作原材料回收在利用；橡胶材料中，除EPDM目前具有可验证的回收利用技术外，其他均不可作原材料回收再利用。4）非金属材料回收利用技术分析•塑料、橡胶和玻璃灯非金属材料性质稳定、不易降解。优于再生技术或回收成本的限制，大部分非金属材料被直接填埋或焚烧，不仅浪费了大量的资源，不当处理也造成了严重的环境污染问题。非金属材料没有得到有效回收利用，是制约汽车回收利用率提高的主要因素。。而轻量化是汽车材料的发展趋势，非金属材料在车上用量不断攀升，给回收利用工作带来啦巨大的挑战。•废旧汽车塑料的回收利用技术•预处理方法•回收利用技术•废旧汽车橡胶的回收利用技术•废旧汽车玻璃的回收利用技术1.3.6绿色设计面临的问题为到达绿色设计的目标，设计开发人员可以利用多种方法，以求获得最优效果。但无论应用何种方法，研究人员应解决下面几个问题：•降低车身质量不能影响汽车构架的强度和刚度；•应用新材料不能增加汽车成本上的负担；•应用新材料后的汽车在出厂后若发生损坏修复成本不能太高。1.4面向质量的车身设计方法简介产品质量长期以来都是国家和消费者关心的问题。众多实践表明，设计阶段决定了产品的先天质量。目前，企业大多依靠设计流程和各种设计分析技术来保证设计质量。1.4.1车身设计质量控制对象1）质量内涵质量是一个动态发展的概念，在不同的时代背景和主观条件下，人们对质量存在着不同的理解。ISO9000:2000将质量定义为：一组固有特性满足要求的程度。其中，“固有”是指事情本来就永久存在的特性；事物指实物，也可以是活动或过程；“特性”是可以辨别的特征，反映了事物满足要求的能力；要求可以是明示的、通常隐含的或必须履行的需求或期望。明示也就是通过技术规范、技术要求、质量标准在合同或说明书中明确规定的；通常隐含是指行业公认或道德约束下约定俗成的，有时通过调查才能识别；必须履行的是事物得以存在的价值。2）设计质量设计质量可以定义为：一组固有特性在转化为实物或活动过程中，满足要求的程度。套用质量的二维性，设计质量同样具有适用性和符合性。适用性是满足广义客户需要的程度；符合性是指符合设计目标、设计规范和设计标准的程度。对于实物产品来说，设计质量可以体现为产品或数模的功能和性能，性能包括结构性能‘工艺性能、操作性能。3）车身设计过程中的质量影响因素：设计需求、设计人员、设计工